溫室黃瓜葉面積、光合作用及干物質(zhì)生產(chǎn)對(duì)葉片含氮量響應(yīng)的模擬模型.pdf

1、葉面積指數(shù)( LAI)是作物冠層光合作用及水分利用模擬的重要參數(shù)，光合作用和干物質(zhì)生產(chǎn)是作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。葉片含氮量直接影響了作物的LAI和光合作用速率，從而影響作物的干物質(zhì)生產(chǎn)與產(chǎn)量。定量研究作物L(fēng)AI、葉片光合作用速率以及干物質(zhì)生產(chǎn)過程對(duì)葉片舍氮量的響應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)作物氮素精確與優(yōu)化管理的重要前提。黃瓜是我國和世界上的主要設(shè)施栽培作物。本研究以溫室黃瓜為研究對(duì)象，于2005年到2008年間，在上海(121.5 E，31.2N

2、)農(nóng)科院Venlo型現(xiàn)代化自控溫室和上海孫橋現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)示范園區(qū)的2，4．連棟溫室中進(jìn)行了不同播期、不同栽培基質(zhì)下的溫室黃瓜氮素處理試驗(yàn)。在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，以光溫指數(shù)為尺度，以葉片含氮量為參數(shù)，建立了葉片形態(tài)發(fā)生指標(biāo)以及葉面積指數(shù)對(duì)葉片含氮量響應(yīng)的模擬模型；以葉片光合作用的FvCB模型為基礎(chǔ)，確定了FvCB模型的各個(gè)參數(shù)對(duì)葉片含氮量的響應(yīng)函數(shù)；將葉面積指數(shù)對(duì)葉片含氮量響應(yīng)模型與基于FvCB的葉片光合作用對(duì)葉片含氮量響應(yīng)模型

3、相結(jié)合，建立了溫室黃瓜干物質(zhì)生產(chǎn)對(duì)葉片含氮量響應(yīng)模擬模型。主要結(jié)果如下：(1)溫室黃瓜葉面積對(duì)葉片氮含量響應(yīng)的模擬模型。通過溫室黃瓜的不同氮素施用濃度處理試驗(yàn)，定量研究了黃瓜冠層葉片氮累積量的季節(jié)變化以及葉片含氮量在冠層中的垂直分布，并描述了黃瓜坐果開始時(shí)冠層葉片氮積累量及特定葉片含氮量對(duì)葉片形態(tài)發(fā)生指標(biāo)參數(shù)的定量影響。在此基礎(chǔ)上，以光溫指數(shù)為尺度，以葉片合氮量為參數(shù)，建立了葉片形態(tài)發(fā)生指標(biāo)以及葉面積指數(shù)對(duì)葉片含氮量響應(yīng)的模擬模型。利用

4、獨(dú)立的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本模型和基于葉干重和SLA的葉面積指數(shù)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行評(píng)估和比較，結(jié)果表明，對(duì)于本模型，用坐果開始時(shí)冠層葉片氮累積量作為參數(shù)時(shí)，出葉數(shù)、葉長、LAI的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的r2分別為0.95、0.93，0.87，RMSE分別為2.9、0.05m、0.18 m2 m2;而用坐果開始時(shí)倒8葉的葉片含氮量作為參數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)的r2分別為0.93、0.92、0.8，RMSE分別為3.2、0.05 m、0.39m2 m2，對(duì)于基于

5、葉干重和SLA的LAI預(yù)測(cè)方法，用實(shí)測(cè)的SLA作為輸入，冠層LAI預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的r2和RMSE分別為0.74和0.43 m2 m2。表明，本文提出的模型能夠較好的模擬溫室黃瓜在不同溫室和氮素施用濃度下的葉片生長對(duì)葉片含氮量的響應(yīng)．
　　 (2)光合速率對(duì)葉片含氮量響應(yīng)的模擬模型。以FvCB光合作用模型為基礎(chǔ)，結(jié)合溫室黃瓜葉片的凈光合速率和葉綠素?zé)晒饣铙w測(cè)定數(shù)據(jù)，對(duì)FvCB模型的參數(shù)[暗呼吸速率（Rd）、限制光強(qiáng)下光系統(tǒng)II中光

6、強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電子傳遞的轉(zhuǎn)化速率(k2(LL))、最大電子傳遞速率（Jmax）、電子傳遞速率對(duì)光照響應(yīng)的非直角曲線的曲率因子(、Rubisco酶位點(diǎn)上C02/02的特定因子(Sco)、Rubisco酶的羧化能力（Vcmax）以及葉肉導(dǎo)度(gm)]進(jìn)行了估算，確定了這些參數(shù)對(duì)葉片舍氮量的響應(yīng)函數(shù)。結(jié)果表明，M2(LL)、Vcmax(To)、Jcmax和Rd與葉片含氮量有較好的線性關(guān)系，而口和gm與葉片氮含量的關(guān)系不明顯。將估算出的參數(shù)作為模型輸

7、入，用獨(dú)立的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，并與基于光合有效輻射、葉片最大光合速率以及初始光能利用率的光合作用函數(shù)（負(fù)指數(shù)方程）的預(yù)測(cè)效果相比較。結(jié)果表明，使用FvCB模型對(duì)單葉光合作用的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的r2和RMSE分別為0.63和5.28 mol C02 m2 sd，而基于負(fù)指數(shù)方程的光合作用模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的r2和RMSE分別為0.65和4.94moolC02m2 s。1。從總體的r2和RMSE來看，基于負(fù)指數(shù)方程的光合速率模型的

8、預(yù)測(cè)效果略好于FvCB模型，但進(jìn)一步的分析表明其對(duì)與建模環(huán)境相差較大的情況下的黃瓜單葉凈光合作用速率的預(yù)測(cè)效果較差，因而穩(wěn)定性和廣適性差；而FvCB模型的預(yù)測(cè)精度雖稍差一些，但其對(duì)不同條件下的預(yù)測(cè)結(jié)果一致，穩(wěn)定性和廣適性好，且其預(yù)測(cè)精度可以通過利用翔實(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的校正而獲得提高。
　　 (3)將葉面積指數(shù)對(duì)葉片含氮量響應(yīng)模型與基于FvCB模型的葉片光合作用對(duì)葉片含氮量響應(yīng)模型相結(jié)合，建立了溫室黃瓜干物質(zhì)生產(chǎn)對(duì)葉片舍氮

9、量響應(yīng)的模擬模型。將第二章中所討論的的兩種葉面積對(duì)葉片含氮量響應(yīng)的模擬模型（基于葉片形態(tài)發(fā)生和基于SLA）分別與第三章中所討論的兩種光合速率對(duì)葉片含氮量響應(yīng)的模擬模型（FvCB模型和負(fù)指數(shù)方程）相結(jié)合，分別用來模擬不同氮素條件下溫室黃瓜的每日冠層總光合量，再與常用的呼吸作用模型和干物質(zhì)生產(chǎn)計(jì)算方法相結(jié)合，組成四種干物質(zhì)生產(chǎn)對(duì)葉片含氮量量響應(yīng)的模擬模型，用來預(yù)測(cè)不同條件下黃瓜的干物質(zhì)生產(chǎn)過程。用獨(dú)立的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，基于葉片形

10、態(tài)發(fā)生和FvCB模型的干物質(zhì)生產(chǎn)模型、基于葉片形態(tài)發(fā)生和負(fù)指數(shù)方程的干物質(zhì)生產(chǎn)模型、基于SLA法和FvCB模型的干物質(zhì)生產(chǎn)模型、基于SLA法和負(fù)指數(shù)方程的干物質(zhì)生產(chǎn)模型對(duì)黃瓜總干物質(zhì)量的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的r2分別為0.62、0.66、0.53、0.71，RMSE分別為58.99 m-2、54.39m"2、77.29 m"2、44.8 gm-2．雖然基于葉片形態(tài)發(fā)生和FvCB模型的干物質(zhì)生產(chǎn)模型的預(yù)測(cè)效果僅排在第三位，但其相對(duì)于基于SL

11、A的模型，避免了破壞性取樣；相對(duì)于基于葉片形態(tài)發(fā)生和負(fù)指數(shù)方程的干物質(zhì)生產(chǎn)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果具有更好的一致性。因此，基于葉片形態(tài)發(fā)生和FvCB模型的干物質(zhì)生產(chǎn)模型具有較好的機(jī)理性、易用性、穩(wěn)定性和廣適性，且通過改進(jìn)FvCB模型參數(shù)的預(yù)測(cè)方法，提高光合速率的預(yù)測(cè)精度，其對(duì)干物質(zhì)生產(chǎn)的預(yù)測(cè)精度還可以有進(jìn)一步的提高。
　　 本研究建立的模型可以根據(jù)定植日期、種植密度、施氮水平等栽培措施，溫室內(nèi)的太陽輻射、溫度和C02濃度等環(huán)境資料，定植時(shí)